一種三端口變換器的建模與控制系統(tǒng)設計

摘要：分析了一種新型三端口雙向DC／DC變換器的工作原理，列寫了各工作模態(tài)下的狀態(tài)方程，并在此基礎上建立了小信號模型，推導出解耦控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，用頻域法設計了該變換器的閉環(huán)控制參數(shù)。對所設計控制器的控制性能進行了實驗驗證。實驗結果表明，控制器設計合理，系統(tǒng)能實現(xiàn)輸出電壓和光伏輸入端電壓的解耦控制，從而實現(xiàn)各端口的能量流控制。
關鍵詞：變換器；小信號模型；控制系統(tǒng)

1 引言
在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和混合動力汽車中，通常包含多種能源輸入形式，利用多端口變換器將多種能源與負載高效地耦合在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部功率和能量的優(yōu)化控制，具有重要意義。與常規(guī)的多級結構相比，多端口變換結構具有電路拓撲簡單，成本較低，功率密度高，效率較高等優(yōu)點，對于實現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制和能量管理有重大作用。
文獻提出了一種新型三端口變換器拓撲。該拓撲可在光伏輸入端實現(xiàn)最大功率點跟蹤，在電池端實現(xiàn)充放電控制。由于光伏組件模塊輸出電壓較低，此處結合光伏發(fā)電應用，在文獻基礎上對該拓撲進行改進，次級改用半橋倍壓的形式提高變換器增益，從而降低了變壓器變比。此外，該拓撲結合輸出濾波器可抑制紋波電流。此處對改進后的拓撲進行小信號建模，推導解耦控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，設計了相應的控制器。最后基于實際系統(tǒng)進行了實驗，驗證了控制器的設計。

2 變換器的建模與控制系統(tǒng)設計
2．1 變換器模型建立
圖1示出改進后的三端口DC／DC變換器，變壓器初級采用3個開關管控制功率流向，次級采用半橋倍壓的形式提高變換器增益。通過雙向端口的電流流向控制功率的流向來實現(xiàn)能量流動管理。控制光伏端電壓Uin使其工作在最大功率點處，負載較小時，電池端充電，儲存多余的能量；負載較大時，電池端放電，為變換器提供功率平衡，并實現(xiàn)輸出端電壓的穩(wěn)定。

各開關周期中，該三端口變換器拓撲有3個工作模態(tài)，其基本開關波形如圖2所示。以光伏端電容C2，變壓器勵磁電感Lm，輸出電感Lo和輸出電容Co為狀態(tài)變量，推導變換器各電路階段的狀態(tài)方程。在第一階段，V2導通，變壓器初級通以正電壓，Lo充電，電流流過Lo。電池端濾波電容的電流等于電池電流、變壓器勵磁電感電流iLm及次級電流折算值之和。該階段狀態(tài)方程為：

在第二階段，V1導通，變壓器初級電壓為負，Lo仍在充電，電流流過Lo。變壓器初級電壓等于輸入電壓減電池電壓，Lo的充電速度也隨之變化。第二階段的狀態(tài)方程為：

在第三階段，V3導通，變壓器初級電壓為零，由于中間支路(V3和VD3通道)的箝位，Lo放電。第三階段的狀態(tài)方程為：

此處認為狀態(tài)變量由一個擾動量疊加在直流分量X上，將3個狀態(tài)方程組乘以相應占空比，運用均值法，忽略二階分量后得到小信號方程，系統(tǒng)可用狀態(tài)空間矩陣形式表示。將小信號方程轉換到頻域后，系統(tǒng)可用狀態(tài)空間矩陣形式表示：